Trong quá trình xe vận hành trên đường ghồ ghề có nhiều biên dạng phức tạp và ngẫu nhiên, rất khó có thể xác định được quy luật biến đổi này. Do vậy luận văn tiến hành khảo sát chuyển động của xe đi trên đường có đánh lái, khơng đánh lái, biên dạng mặt đường có thể miêu tả dưới dạng bảng phi tuyến, quy luật hình sin.
3.1. Khi xe vận hành trên đường có biên dạng sóng hình sin, khơng thực hiện đánh lái và phanh.
Hệ thống treo sử dụng trên xe khảo sát là hệ thống treo độc lập cho cầu trước và cầu sau. Phần mềm carsim hỗ trợ người dùng khai báo các thơng số của hệ thống theo hình 3.1. Các thơng số được nhập dưới dạng hằng số (đối với các kích thước vật lý) và dưới dạng phi tuyến (đối với các đường đặc tính).
56
Đặc tính của giảm chấn là khả năng dập tắt dao động bằng cách biến động năng của chuyển dịch thành nhiệt năng của chất lỏng. Mỗi giảm chấn được thiết kế sao đảm bảo quá trình “nén nhanh – trả chậm” để đảm bảo giảm lực tác dụng từ mặt đường lên người lái và dập tắt nhanh dao động. Về mặt kết cấu, thông thường mỗi giảm chấn thiết kế các van tiết lưu có lưu lượng khác nhau trong q trình nén và trả. Ở các hệ thống treo tích cực hoặc bán tích cực, độ nhớt thủy lực trong giảm chấn có thể thay đổi được, bởi vậy mà khả năng hấp thụ và dập tắt dao động của hệ thống treo đó tốt hơn. Hình 3.2 thể hiện mối quan hệ giữa lực tác dụng lên giảm chấn với tốc độ chuyển dich tương ứng.
Hình 3. 2: Đặc tính của giảm chấn
Góc camber là góc nghiêng của mặt phẳng bánh xe so với trục đứng. Thơng thường trong q trình đặt góc camber, nhà thiết kế đặt góc có giá trị dương. Thực tế khi hệ thống treo làm việc, đặc biệt khi quay vòng lực ly tâm tác dụng lên xe làm thay đổi lực ngang tác dụng lên bánh xe, do đó làm thay đổi giá trị của góc camber. Do đó, góc camber được đặt sao cho bù được nhược điểm này khi quay vòng. Trong
57
quá trình bánh xe dao động theo phương thẳng đứng, trạng thái tiếp xúc của bánh xe và mặt đường thay đổi, do đó quan hệ động học giữa góc camber và chuyển dịch thẳng đứng được miêu tả trên hình 3.3
Hình 3. 3: Sự phụ thuộc góc Camber đối với chuyển dịch của hệ thống treo Góc toe là góc quan trọng nhằm giúp làm giảm mài mòn cho lốp và duy trì Góc toe là góc quan trọng nhằm giúp làm giảm mài mòn cho lốp và duy trì trạng thái chuyển động của xe.
58
Tùy thuộc vào đặc điểm riêng của hệ thống treo, mà ta điều chỉnh hệ thống lái để đặt được góc Toe là chụm vào hay mở ra. Góc chụm vào quá lớn dẫn đến mài mịn lốp, góc mở ra lớn sẽ vấn đề cho ổn định của xe. Mối quan hệ của góc Toe với trạng thái dao động của hệ thống treo được mơ tả trên hình 3.4.
Hệ thống treo liên kết giữa bánh xe và thân xe làm giảm tải trọng động thẳng đứng tác dụng lên thân xe đảm bảo xe lăn bánh êm trên đường đồng thời dập tắt dao động của từ mặt đường tác dụng lên thân xe. Như vậy, có thể thấy yếu tố mặt đường quyết định nhiều tới trạng thái dao động của thân xe hay tác động tới cảm giác của người ngồi trên xe. Để khảo sát đặc tính làm việc của hệ thống treo, luận văn tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của biên dạng mặt đường.
59
Hình 3.5 mơ tả biên dạng đường trong thí nghiệm. Biên dạng đường là hình sin có biên độ và chu kỳ giảm dần theo thời gian. Các thông số của đường được nhập dưới dạng bảng. Các thông số được quan tâm trong quá trình khảo sát là gia tốc dao động của thân xe theo phương thẳng đứng và phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe. Gia tốc dao động của thân xe theo phương thẳng đứng cho biết xu hướng dao động của xe, giá trị của gia tốc tỷ lệ thuận với tần số dao động và quyết định đến chỉ tiêu êm dịu của xe. Khi vận hành trên cùng một điều kiện đường như nhau, giá trị của gia tốc phụ thuộc vào tốc độ của xe. Luận văn tiến hành khảo sát sự dao động của thân xe khi đi trên biên dạng đường hình sin và chạy với vận tốc dài 40km/h và 80 km/s.
3.1.1. Khi xe chạy với tốc độ 40 km/h
Người lái vận hành xe với vận tốc 40 km/h đi trên đường có biên dạng hình sin. Trong q trình vận hành, người lái khơng thay đổi góc quay vành lái hay thực hiện quá trình phanh. Thời gian tăng tốc xe đi trên đường có biên dạng bằng phẳng, khi biên dạng đường thay đổi dẫn đến phương của phản lực Fz tác dụng lên bánh xe thay đổi làm thân xe dao động. Quá trình dao động lên xuống của thân xe thông qua hệ thống treo và lốp xe tác dụng lên mặt đường bằng phản lực của mặt đường tác dụng lên lốp xe. Hình 3.6 mô tả phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe.
60
Biên dạng đường hình sinh, dẫn tới chu kỳ biến đổi của phản lực thẳng đứng cũng theo hình sin. Phản lực tác dụng lên bánh xe cầu trước và cầu sau có giá trị khác nhau do sự chênh lệch về phân bố tải trọng tĩnh. Sự đổi hướng dao động của thân xe bất ngờ theo biên dạng đường sẽ gây lên xung lực tác dụng lên thân xe thông qua hệ thống treo. Giá trị xung lực thường rất lớn, khi biên dạng đường thay đổi bất thường, trên hình 3.6 nhận thấy giá trị này có thể gấp 4 lần giá trị của tải trọng tĩnh.
Hình 3.7 thể hiện gia tốc dao động của thân xe theo phương thẳng đứng. Trong quá trình chuyển động trên đường hình sin, giá trị của gia tốc bị quyết định bởi tần số hình sin của biên dạng đường và tốc độ chuyển động của xe. Tại thời điểm phản lực tác dụng lên thân xe đạt giá trị lớn nhất cũng chính là thời điểm gia tốc thân xe đạt giá trị lớn nhất do bánh xe tiếp nhận phản lực từ mặt đường có giá trị thay đổi bất thường.
Hình 3. 7: Gia tốc dao động của thân xe khi xe chuyển động với vận tốc 40km/h Khi xe chuyển động qua đường có biên dạng hình sin, hệ thống treo cần 0,6s Khi xe chuyển động qua đường có biên dạng hình sin, hệ thống treo cần 0,6s để dập tắt dao động.
61
3.1.2. Khi xe chạy với tốc độ 80 km/h
Kịch bản vận hành xe được người lái thao tác giống mục 3.1.1, lúc này xe chạy với vận tốc 80 km/h. Vận tốc chuyển động của xe lớn dẫn tới tần số dao động của xe cũng lớn theo. Tuy nhiên về mặt giá trị trung bình, gia tốc dao động của thân xe thay đổi không đáng kể. Gia tốc của thân xe được trình bày trên hình 3.8
Hình 3. 8: Gia tốc dao động của thân xe khi xe chuyển động với vận tốc 80km/h Từ việc khảo sát với tốc độ khác nhau trên cùng biên dạng đường cho thấy chu Từ việc khảo sát với tốc độ khác nhau trên cùng biên dạng đường cho thấy chu kỳ dao động của thân phụ thuộc vào biên dạng mặt đường. Xe chuyển động với vận tốc càng cao thì tần số dao động càng lớn. Thời gian dập tắt dao động là như nhau trong hai trường hợp do vậy khả năng dập tắt dao động phụ thuộc vào thông số kết cấu của hệ thống treo. Khi xe di chuyển với tốc độ càng nhanh, khả năng tạo ra xung lực từ mặt đường tác dụng lên thân xe lớn do vậy mà xe kém êm dịu hơn. Mở rộng ra, với các xe tải trọng lớn, khi di chuyển với tốc độ cao thì áp lực từ khối lượng được treo qua lốp xuống mặt đường lớn gây hư hại cho biên dạng mặt đường. Các cơ quan chức năng cần nghiên cữu kỹ vấn đề này và nhất thiết phải hạn chế tốc độ với xe có tải trọng lớn.
62
3.2. Khi xe các vết bánh xe đi trên đường có biên dạng hình sin khác nhau
Khi hai vết bánh xe lăn trên các biên dạng đường giống nhau thì áp lực của các bánh xe trên cùng một cầu là như nhau. Nếu hai vết bánh xe được lăn trên đường có độ cao khác nhau sẽ gây lên mô men lật nghiêng xe. Khả năng chống lật nghiêng phụ thuộc vào độ cứng của hệ thống treo. Hệ thống treo có độ cứng càng lớn thì khả năng chống lật càng tốt và ngược lại. Tuy nhiên, nếu bộ phận đàn hồi càng cứng thì chỉ tiêu êm dịu của hệ thống treo đó giảm đi. Trong thực tế q trình chuyển động, mỗi vết bánh xe có thể lăn trên địa hình khác nhau, việc mô phỏng loại đường này phức tạp do vậy trong mục này luận văn tiến hành khảo sát hệ thống treo khi vết bánh xe lăn trên đường có biên dạng hình sin ngược pha nhau. Biên dạng và đồ thị mô tả mặt đường được trình bày trên hình 3.9.
63
Biên dạng mặt đường thay đổi theo quy luật hình hin có biên độ 15cm, chiều dài của một chu kì biên dạng là 8m. Do đó luận văn tiến hành khảo sát hệ thống treo khi xe chuyển động với vận tốc 40km/h.
Phản lực từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe được trình bày trên hình 3.10. Phản lực tác dụng lên bánh xe cùng một vết có hình dạng giống nhau và khác nhau về giá trị do sự trên lệch về phân bố tải trọng. Sự chênh lệch phản lực tại bánh xe cùng một cầu sẽ tạo lên mô men lật nghiên thân xe. Tại các thời điểm t = 1,8s và t = 1,2s sự chênh lệch này cực đại F = 43kN. Kéo theo đó mơ men gây lật Mlật = F.B/2 (B là chiều rộng cơ sở của xe) có giá trị rất lớn, hồn tồn có thể gây lật nghiên thân xe.
Hình 3. 10: Áp lực từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe
Trạng chuyển động của xe có thể xét qua giá trị của cảm biến do góc dao động của thân xe theo phương thẳng đứng như trên hình 3.11
64
Hình 3. 11: Góc dao động theo phương thẳng đứng của thân xe
Hình 3.12 mơ tả gia tốc dao động thân xe, tại vị trí vết xe hai bánh chênh lệch độ cao cực đại, khi đó gia tốc đạt giá trị lớn nhất.
65
3.3. Khi xe vượt chướng ngại vật
Xe chuyển động qua cầu là trường hợp thường thấy ở nước ta. Trường hợp này vấn đề được quan tâm nhiều hơn là phản lực tác dụng lên đường trong quá trình xe chuyển động. Việc phân tích các lực tác dụng lên câu trong quá trình này sẽ quyết định yếu tố hình dáng của cầu và tải trọng tối đa mà cầu chịu được khi có mật độ lớn xe lưu hành.
Trong mục này, luận văn khảo sát áp lực tác dụng lên hệ thống treo khi xe chuyển động trên đường cong với vận tốc 120 km/h và có biên dạng 3d như hình 3.13
Hình 3. 13: Biên dạng 3D đường thí nghiệm
Đặc tính của đường được mơ phỏng trên hình 3.14, độ cao của mấp mơ mặt đường là 1,8m theo chiều dài 12m. Độ dốc của biên dạng đường khác nhau, các giá trị về thơng số có thể xét trình hình vẽ.
66
Hình 3. 14: Biên dạng và độ dốc của đường thí nghiệm
Biên dạng và độ dốc của đường quyết định phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe. Độ dốc của đường càng cao thì phản lực tác dụng lên các bánh xe càng lớn.
67
Nhận thấy lực tác dụng lên các bánh xe cầu trước có giá trị Fz1 = 20000N, giá trị này gấp 5 lần giá trị tải trọng tĩnh tác dụng lên bánh xe. Điều này có nghĩa là mặt đường cũng chịu một lực tương đương vơi phản lực. Đối với lốp có bề rộng nhỏ sẽ gây áp lực lên mặt đường rất lớn. Có thể nhận thấy điều này khi quan sát đồ thị hình 3.15. Quá trình dập tắt dao động được thực hiện trong khoảng thời gian 1,5s.
Trong thực tế, để giảm áp lực lên mặt đương, các nhà thiết kế cầu đường thường kéo dài cây cầu để giảm tải trọng động cũng như áp lực lên mặt đường. Đứng trên quan điểm người lái xe, để giảm tải trọng tác dụng lên hành khách hay người lái, khi trên đường có chướng ngại vật cần thực hiện giảm tốc độ để đảm bảo sự êm dịu chuyển động cũng như giảm hư hại cho hệ thống treo.
3.4. Khi xe chuyển động trên đường phẳng và thực hiện đánh lái
Trong thực tế, q trình vận hành xe khơng phải ln duy trì trên một đường thẳng mà người lái cần đánh lái để điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe. Quá trình thay đổi quỹ đạo chuyển động của xe sẽ quyết định tới chiều và độ lớn của lực ngang, giá trị của phản lực thẳng đứng lên các bánh do vậy sẽ ảnh hưởng tới góc đặt bánh xe và gây dao động thân xe. Trong trường hợp này luận văn khảo sát quá trình vận hành xe trên đường có hệ số bám khơng đổi, đường thí nghiệm được trình bày trên hình 3.16
68
Hình 3. 17: Đường thí nghiệm thu nhỏ trong khơng gian 3D
Hình 3.17 biểu diễn tọa độ của đường thí nghiệm trên hệ truc 0xyz. Từ đó nhận thấy rằng để vận hành xe theo quỹ đạo đặt trước với vận tốc không đổi người lái không những phải đánh lái mà cần phải tác động vào bàn đạ ga trong quá trình lên dốc và xuống dốc. Khi thay đổi từ các trạng thái lên dốc sang đường bằng, xuống dốc lên đường bằng hay lên dốc và xuống dốc các phản lực thẳng đứng tác dụng lên cầu trước và cầu sau của xe không ổn định do vậy sẽ gây ra dao động.
69
Từ hình 3.18 cho thấy tại các thời điểm t = {10, 15, 40, 50, 55, 75} các phản lực tác dụng lên bánh xe thay đổi rõ rệt, tải trọng tác dụng lên các cầu thay đổi dẫn đến sự dao động của thân xe. Sự biến thiên vận tốc dao động thân xe được thể hiện trên hình 3.19.
Hình 3. 19: Gia tốc dao động thân xe
Trong 15s đầu tiên, lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe có giá trị khơng lớn, nhưng lại thay đổi trong phạm vi rộng do vậy gia tốc dao động thân xe biến đổi phức tạp trong giai đoạn này. Đây chính là thời điểm mà người ngồi trên xe có cảm giác khó chịu nhất.
70
KẾT LUẬN
CarSim cho phép mô phỏng hầu hết các cụm chi tiết các bộ phận cấu thành trên các loại xe nhỏ. Bằng việc xây dựng mơ hình mơ phỏng trong CarSim, người dùng có thể biết được đáp ứng của xe trước một tác động xác định trước. Kết quả của đáp ứng này có thể nhận thấy bằng trực quan (mơ phỏng chuyển động, đồ thị) và dưới dạng số liệu cụ thể. Để tác động sâu hơn vào mơ hình, CarSim cho phép khảo sát kết hợp với phần mềm MatLab Simulink và kết hợp với LabView để mô phỏng thời gian thực do vậy Carsim rất thuận lợi trong việc khảo sát đáp ứng của xe trong mọi điều kiện vận hành và mô phỏng trong thời gian thực.
Hệ thống treo được trang bị trên xe nhằm đảm bảo êm dịu cho hệ thống được treo. Khi xe đi trên các địa hình phức tạp, sự dao động trên bề mặt của địa hình làm thân xe dao động theo với biên độ dao động nhỏ hơn. Vận tốc dao động thân xe